JP2008193618A - 固体撮像装置及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画素回路構造を変化させることなく、ブルーミング起因のオフセットを回避することができる固体撮像装置及び撮像装置を提供する。
【解決手段】信号電荷の蓄積期間が１水平期間、２行同時読み出しの場合においては、時間ｎ［Ｈ］に信号電荷の読み出しを行なう（ｍ−１）行及び（ｍ−２）行については、時間（ｎ−２）［Ｈ］にプレシャッタ動作を行なってリセット動作を行なうと共に、時間（ｎ−１）［Ｈ］にプレシャッタ動作を行なってリセット動作を行なう。
【選択図】図１

Description

本発明は固体撮像装置及び撮像装置に関する。詳しくは、２以上の所定数の行若しくは２以上の所定数の列を１つのグループとして、グループ毎に順次信号電荷の読み出しを行なう固体撮像装置及び撮像装置に係るものである。

ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサに代表されるＸ−Ｙアドレス型固体撮像装置では、光電変換素子を含む画素が行列状に２次元配置されてなる画素アレイ部に対して、画素の選択を行単位、列単位あるいは画素単位で行なえることから、画素アレイ部における任意の領域を指定することで、任意の領域の画素情報を部分的に切り出して読み出すことができる（例えば、特許文献１参照。）。

図５は従来のＣＭＯＳイメージセンサを説明するための模式図であり、図６はある１つの画素についての画素回路の構成の一例を説明するための模式図である。ここで示すＣＭＯＳイメージセンサでは、光電変換素子を含む画素１０１が行列状に２次元配置されてなる画素アレイ部１０２、垂直走査回路１０３、カラム回路（信号処理回路）１０４、水平走査回路１０５、水平信号線１０６、出力回路１０７及びタイミングジェネレータ（ＴＧ）１０８等を有する構成となっており、画素アレイ部には垂直画素列ごとに垂直信号線１０９が配線されている。

また、画素１０１は、光電変換素子、例えばフォトダイオード１１０に加えて、例えば転送トランジスタ１１１、リセットトランジスタ１１２、増幅トランジスタ１１３及び選択トランジスタ１１４の４つのトランジスタを有する画素回路となっており、これらトランジスタとしては、例えばＮｃｈＭＯＳトランジスタを用いている。

転送トランジスタ１１１は、フォトダイオード１１０で光電変換され、ここに蓄積された信号電荷（ここでは電子）を、ゲート転送パルスＴＲＧが与えられることによってＦＤ（フローティングディフュージョン）部１１５に転送する。リセットトランジスタ１１２は、ＦＤ部１１５と電源電圧ＶＤＤの電源ラインとの間に接続され、フォトダイオード１１０からの信号電荷の転送に先立って、ゲートにリセットパルスＲＳＴが与えられることによってＦＤ部１１５の電位をリセットする。

増幅トランジスタ１１３は、リセットトランジスタ１１２によるリセット後のＦＤ部１１５の電位をリセットレベルとして、さらに転送トランジスタ１１１による転送後のＦＤ部１１５の電位を信号レベルとして出力する。選択トランジスタ１１４は、ゲートに選択パルスＳＥＬが与えられることによって画素１０１を選択し、増幅トランジスタ１１３から順に供給されるリセットレベル及び信号レベルを垂直信号線１０９に出力する。

ここで、信号電荷の蓄積開始前に画素のフォトダイオードに蓄積された不要電荷を掃き捨てるシャッタ動作は、転送トランジスタ１１１のゲートに転送パルスＴＲＧを与えて同時にリセットトランジスタ１１２のゲートにリセットパルスＲＳＴを与えることによって行なわれる。
また、イメージセンサの電子シャッタ方式としては、主にグローバルシャッタ方式とローリングシャッタ方式があり、グローバルシャッタ方式は全画素同時にシャッタ動作を行なう方式であり、ローリングシャッタ方式は、図７で示す様に、シャッタ動作を行なう領域が時間的にシフトしていくシャッタ方式である。なお、図７（ｂ）は横軸に時間［Ｈ］（１Ｈ：１水平転送期間）、縦軸に行アドレスをとり、シャッタ動作のタイミングを示したものであり、図７（ａ）は時間ｎ［Ｈ］の状態を物理イメージで表現したものである。また、ＣＭＯＳタイプのイメージセンサでは主にローリングシャッタ方式が用いられている。

特開２００１−４５３８３号公報 図１１に画素アレイ部における任意の領域の画素情報を部分的に切り出して読み出し可能ＣＭＯＳイメージセンサの従来例を示す。

ところで、イメージセンサへの入射光が非常に強い場合には、過剰に発生した信号電荷が画素から溢れて隣接画素に漏れ込むことによってブルーミングと称される現象が生じることは一般に知られていることであるが、２以上の所定数の行若しくは２以上の所定数の列を同時に読み出すイメージセンサにおいて、上記したローリングシャッタ方式を採用した場合にはブルーミング起因によるオフセット差が生じてしまう。なお、ここでの「同時」とは、時間的に厳密な意味での同時性ということではなく、同一の水平転送期間内に読み出されるものであれば、同時であるという意味である。

以下、ブルーミング起因によるオフセット差が生じるメカニズムについて説明を行なう。なお、ここでは、（Ａ）信号電荷の蓄積期間を１水平転送期間とし、２行同時に読み出しを行なう場合、（Ｂ）信号電荷の蓄積期間を２水平転送期間とし、２行同時に読み出しを行なう場合を例に挙げて説明を行なう。

（Ａ）信号電荷の蓄積期間を１水平転送期間とし、２行同時に読み出しを行なう場合
図８（ｂ）は横軸に時間［Ｈ］、縦軸に行アドレスをとり、シャッタ動作のタイミングを示したものであり、図８（ａ）は時間ｎ［Ｈ］の状態を物理イメージで表現したものである。ここで時間ｎ［Ｈ］の状態に着目した場合に、先ず同時刻に（ｍ−２）行と（ｍ−１）行が読み出され、次に読み出されるｍ行と（ｍ＋１）行にシャッタ動作が行なわれている。この時、ｍ行の下については既に信号電荷が読み出されており、（ｍ−１）行の電荷は空の状態である。また、ｍ行及び（ｍ＋１）行はシャッタ動作が行なわれており、ｍ行と（ｍ＋１）行も電荷が空の状態である。
これに対し、（ｍ＋２）行については未だシャッタ動作が行なわれておらず、（「１フレーム」−「２Ｈ」）分の電荷が蓄積された状態である。従って、（「１フレーム」−「２Ｈ」）分の電荷の蓄積でブルーミングを起こす様な光量があった場合には、ｍ行は上下からのブルーミングは無いものの、（ｍ＋１）行は（ｍ＋２）行からのブルーミングが起こり、時間（ｎ＋１）［Ｈ］の読み出しまでの間に（ｍ＋１）行にブルーミング量に比例したオフセットがのることとなる。これがｍ行と（ｍ＋１）行の出力差となるのである。なお、１［Ｈ］の蓄積でブルーミングを起こす様な大光量であったとしても、ｍ行については１［Ｈ］蓄積分のブルーミング量であるのに対して（ｍ＋１）行は（「１フレーム」−「２Ｈ」）蓄積分のブルーミング量になるので、やはりオフセット差が生じて出力差として現われることとなる。

（Ｂ）信号電荷の蓄積期間を２水平転送期間とし、２行同時に読み出しを行なう場合
図９（ｂ）は横軸に時間［Ｈ］、縦軸に行アドレスをとり、シャッタ動作のタイミングを示してものであり、図９（ａ）は時間ｎ［Ｈ］の状態を物理イメージで表現したものである。ここで時間（ｎ−１）［Ｈ］の状態に着目した場合、ｍ行の下の（ｍ−１）行は１［Ｈ］前にシャッタ動作が行なわれており、１［Ｈ］分の電荷しか蓄積されていない。上の（ｍ＋１）行は既にシャッタ動作が行なわれており、（ｍ＋１）行は電荷は空の状態である。これに対して、（ｍ＋１）行は上の（ｍ＋２）行は未だシャッタ動作が行なわれておらず（「１フレーム」−「２Ｈ」）分の電荷が蓄積されており、下のｍ行はシャッタ動作が行なわれているために電荷が空の状態である。従って、ｍ行と（ｍ＋１）行で隣接画素からのブルーミング量が異なることとなる。従ってオフセット差が生じて出力差が生じる結果となる。

なお、ブルーミング対策としては、非読み出し行からのブルーミングを回避するために非読み出し行にシャッタ動作を行なう技術が提案されているが（特開２００６−３１０９３２号公報）、読み出し行から他の読み出し行に対するブルーミングに対しては考慮がなされていなかった。また、ブルーミング回避方法としてフローティングディフュージョンを電源等にリセットし続け、フローティングディフュージョンに漏れ込んだ電荷を電源等に捨てて隣接画素へのブルーミングを軽減させているものは多数あるが、この方式ではブルーミングは完全には除去しきれずにブルーミングが残ってしまう可能性がある。
また、ブルーミングが生じた場合にローリングシャッタ方式では、上記したブルーミング起因のオフセット差が生じてしまい、特に大きな光量における高速シャッタ時など信号レベルが低い場合にはブルーミングによるオフセットの影響が視認されて行間のセンサー出力比が低速シャッタ時と大きく異なってしまう現象が懸念され、この様な状態になった場合には、実際の画像では高速シャッタをかけた際に行間のセンサー出力比が大きく異なるためにチラツキが生じてしまう。
更に、ブルーミングを回避する方式としては、非蓄積期間に画素のフォトダイオードをリセットするスイッチを追加する技術も提案されているが（特開２００４−１１１５９０号公報）、ブルーミング回避のために新たにスイッチを追加しているために画素の微細化には不向きとなってしまう。

本発明は以上の点に鑑みて創案されたものであって、画素回路構造を変化させることなく、ブルーミング起因のオフセットを回避することができる固体撮像装置及び撮像装置を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、本発明に係る固体撮像装置は、光電変換素子を含む画素が行列状に配置されてなる画素アレイ部を有し、該画素アレイ部の隣接する２以上の所定数の行若しくは隣接する２以上の所定数の列を１つのグループとし、信号電荷の蓄積前に前記グループ単位でシャッタパルスを印加して不要電荷の掃き出しを行なうと共に、前記グループ毎に順次信号電荷の読み出しを行なう固体撮像装置において、先のグループの読み出しタイミング前に、次のグループ内の少なくとも先のグループに隣接する１行若しくは１列に属する画素に対して前記シャッタパルスに先立ってプレシャッタパルスを印加して同画素に蓄積された不要電荷の掃き出しを行なう。

また、上記の目的を達成するために、本発明に係る撮像装置は、光電変換素子を含む画素が行列状に配置されてなる画素アレイ部を有し、該画素アレイ部の隣接する２以上の所定数の行若しくは隣接する２以上の所定数の列を１つのグループとし、信号電荷の蓄積前に前記グループ単位でシャッタパルスを印加して不要電荷の掃き出しを行なうと共に、前記グループ毎に順次信号電荷の読み出しを行なう固体撮像装置と、被写体からの像光を前記固体撮像装置の撮像面上に結像させる光学系とを備える撮像装置において、先のグループの読み出しタイミング前に、次のグループ内の少なくとも先のグループに隣接する１行若しくは１列に属する画素に対して前記シャッタパルスに先立ってプレシャッタパルスを印加して同画素に蓄積された不要電荷の掃き出しを行なう。

ここで、先のグループの読み出しタイミング前に、次のグループ内の少なくとも先のグループに隣接する１行若しくは１列に属する画素に対してシャッタパルスに先立ってプレシャッタパルスを印加して同画素に蓄積された不要電荷の掃き出しを行なうことによって、ブルーミングを無くし、若しくは信号電荷の蓄積を行なうグループに属する画素に対しての上下若しくは左右の隣接画素からのブルーミング量を略等しくすることができる。

本発明の固体撮像装置及び撮像装置では、ブルーミングを無くし、若しくは、信号電荷の蓄積を行なうグループに属する画素に対しての上下若しくは左右の隣接画素からのブルーミング量を略等しくすることができ、ブルーミング起因のオフセットを回避することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明し、本発明の理解に供する。なお、本発明を適用した固体撮像装置の画素回路構造は従来の固体撮像装置と同様である。
図１は本発明を適用した固体撮像装置の一例を説明するための図であり、図１（ｂ）は横軸に時間［Ｈ］、縦軸に行アドレスをとり、シャッタ動作のタイミングを示したものであり、図１（ａ）は時間ｎ［Ｈ］の状態を物理イメージで表現したものである。なお、本発明を適用した固体撮像装置の一例では、信号電荷の蓄積期間を１水平期間とし、２行同時に読み出しを行なうタイプ（隣接する２行を１グループとするタイプ）の固体撮像装置を例に挙げている。

ここで、本発明を適用した固体撮像装置の一例では、信号電荷の読み出しの１［Ｈ］前のシャッタ動作に加えてシャッタ動作の１［Ｈ］前にプレシャッタ動作を行なっている。具体的には、時間（ｎ−１）［Ｈ］で信号電荷の読み出しを行なう（ｍ−３）行及び（ｍ−４）行については、時間（ｎ−３）［Ｈ］にプレシャッタ動作を行ない、時間（ｎ−２）［Ｈ］にシャッタ動作を行なっている。また、時間ｎ［Ｈ］で信号電荷の読み出しを行なう（ｍ−１）行及び（ｍ−２）行については、時間（ｎ−２）［Ｈ］にプレシャッタ動作を行ない、時間（ｎ−１）［Ｈ］にシャッタ動作を行なっている。また、時間（ｎ＋１）［Ｈ］で信号電荷の読み出しを行なう（ｍ＋１）行及びｍ行については、時間（ｎ−１）［Ｈ］にプレシャッタ動作を行ない、時間ｎ［Ｈ］にシャッタ動作を行なっている。また、時間（ｎ＋２）［Ｈ］に信号電荷の読み出しを行なう（ｍ＋３）行及び（ｍ＋２）行については、時間ｎ［Ｈ］にプレシャッタ動作を行ない、時間（ｎ＋１）［Ｈ］にシャッタ動作を行なっている。

本発明を適用した固体撮像装置の一例では、時間ｎ［Ｈ］に着目した場合、ｍ行の下の（ｍ−１）行は読出しが行なわれており電荷が空の状態である。ｍ行の上の（ｍ＋１）行についてはシャッタ動作が行なわれており、電荷が空の状態である。また、（ｍ＋１）行の上下にある（ｍ＋２）行とｍ行はどちらもシャッタ動作が行なわれており、電荷が空の状態である。これによりブルーミングを回避することができオフセットが生じずに、ブルーミングによるオフセット差起因の出力差が生じることは無い。

なお、１［Ｈ］で電荷が飽和し、ブルーミングを起こす大光量であった場合でも、ｍ行には（ｍ−１）行から１［Ｈ］蓄積分のブルーミング、（ｍ＋１）行には（ｍ＋２）行から１［Ｈ］蓄積分のブルーミングによるオフセットが生じることになるが、どちらも同じ量だけオフセットが生じることになりオフセット差にはならず、出力差として現われることは無い。

ここで、本実施例では、全ての行にプレシャッタ動作を行なっているが、オフセット差の原因となっているブルーミングを回避するためにはｎ［Ｈ］の時間に着目した場合には、（ｍ＋２）行だけプレシャッタ動作を行なえば良く、必ずしも（ｍ＋３）行にはプレシャッタ動作を行なう必要は無い。しかしながら、通常は行毎にシャッタ動作の回数が異なる場合にはフォトダイオードの行間のリセット能力の差や一行にかかる負荷の差が行毎の段差となってしまう可能性があるために、全ての行に同じ数だけシャッタ動作を行なう方が好ましい。更に、本実施例では、シャッタ動作前にプレシャッタ動作を１回のみ行なっているが、特性上問題がないのであれば、プレシャッタ動作を複数回行なっても構わない。

図２は本発明を適用した固体撮像装置の他の一例を説明するための図であり、図２（ｂ）は横軸に時間［Ｈ］、縦軸に行アドレスをとり、シャッタ動作のタイミングを示したものであり、図２（ａ）は時間ｎ［Ｈ］の状態を物理イメージで表現したものである。なお、本発明を適用した固体撮像装置の他の一例では、信号電荷の蓄積期間を２水平期間とし、２行同時に読み出しを行なうタイプ（隣接する２行を１グループとするタイプ）の固体撮像装置を例に挙げている。

ここで、本発明を適用した固体撮像装置の他の一例では、信号電荷の読み出しの２［Ｈ］前のシャッタ動作に加えてシャッタ動作の２［Ｈ］前にプレシャッタ動作を行なっている。具体的には、時間（ｎ−１）［Ｈ］で信号電荷の読み出しを行なう（ｍ−３）行及び（ｍ−４）行については、時間（ｎ−５）［Ｈ］でプレシャッタ動作を行ない、時間（ｎ−３）［Ｈ］でシャッタ動作を行なっている。また、時間ｎ［Ｈ］で信号電荷の読み出しを行なう（ｍ−１）行及び（ｍ−２）行については、時間（ｎ−４）［Ｈ］でプレシャッタ動作を行ない、時間（ｎ−２）［Ｈ］でシャッタ動作を行なっている。また、時間（ｎ＋１）［Ｈ］で信号電荷の読み出しを行なう（ｍ＋１）行及びｍ行については、時間（ｎ−３）［Ｈ］でプレシャッタ動作を行ない、時間（ｎ−１）［Ｈ］でシャッタ動作を行なっている。また、時間（ｎ＋２）［Ｈ］で信号電荷の読み出しを行なう（ｍ＋３）行及び（ｍ＋２）行については、時間（ｎ−２）［Ｈ］でプレシャッタ動作を行ない、時間ｎ［Ｈ］でシャッタ動作を行なっている。

本発明を適用した固体撮像装置の他の一例では、上記した本発明を適用した固体撮像装置の一例と同様に、上下からのブルーミングがなくなり、若しくは、ブルーミングがあったとしてもオフセット量が略等しくなるためにオフセット差にはならず、出力差として現われることは無い。

図３は本発明を適用した固体撮像装置の更に他の一例を説明するための図であり、図３（ｂ）は横軸に時間［Ｈ］、縦軸に行アドレスをとり、シャッタ動作のタイミングを示したものであり、図３（ａ）は時間ｎ［Ｈ］の状態を物理イメージで表現したものである。なお、本発明を適用した固体撮像装置の更に他の一例では、信号電荷の蓄積期間を１水平期間とし、３行同時に読み出しを行なうタイプ（隣接する３行を１グループとするタイプ）の固体撮像装置を例に挙げている。

ここで、本発明を適用した固体撮像装置の更に他の一例では、信号電荷の読み出しの１［Ｈ］前のシャッタ動作に加えてシャッタ動作の１［Ｈ］前にプレシャッタ動作を行なっている。具体的には、時間（ｎ−１）［Ｈ］で信号電荷の読み出しを行なう（ｍ−２）行、（ｍ−３）行及び（ｍ−４）行については、時間（ｎ−３）［Ｈ］でプレシャッタ動作を行ない、時間（ｎ−２）［Ｈ］でシャッタ動作を行なっている。また、時間ｎ［Ｈ］で信号電荷の読み出しを行なう（ｍ＋１）行、ｍ行及び（ｍ−１）行については、時間（ｎ−２）［Ｈ］でプレシャッタ動作を行ない、時間（ｎ−１）［Ｈ］でシャッタ動作を行なっている。また、時間（ｎ＋１）［Ｈ］で信号電荷の読み出しを行なう（ｍ＋４）行、（ｍ＋３）行及び（ｍ＋２）行については、時間（ｎ−１）［Ｈ］でプレシャッタ動作を行ない、時間ｎ［Ｈ］でシャッタ動作を行なっている。

本発明を適用した固体撮像装置の更に他の一例では、上記した本発明を適用した固体撮像装置の一例及び他の一例と同様に、上下からのブルーミングがなくなり、若しくは、ブルーミングがあったとしてもオフセット量が略ひとしくなるためにオフセット差にはならず、出力差として現われることは無い。

図４に実際の１［Ｈ］蓄積時のブルーミング起因によるオフセット差及びプレシャッタ動作による効果についての実験結果を示している。なお、図４は信号電荷の蓄積期間を１水平期間とし、２行同時に読み出しを行なうタイプの固体撮像装置での実験結果であり、ｍ行と（ｍ＋１）行の１［Ｈ］蓄積時のセンサー出力の光量依存性を示している。
図４からも明らかな様に、プレシャッタ動作を行なわない場合には光量を増加させていくとブルーミングの影響が大きくなり、ｍ行と（ｍ＋１）行のオフセット差が大きくなっているのが分かる。一方、プレシャッタ動作を行なった場合には、光量を増加させたとしても、プレシャッタ動作によってブルーミングの影響が回避できるためにオフセット差が生じていない。

上記した本発明を適用した固体撮像装置では、画素回路構成を変更することなく、ブルーミングによる行間のオフセット差を回避することが可能である。

また、プレシャッタ動作を行なうことによって、２度以上のシャッタ動作（従来からのシャッタ動作＋プレシャッタ動作）を行なうことになるので、リセット不良による画素のフォトダイオードのリセット残りを軽減することも期待できる。
なお、「フォトダイオードのリセット残り」とは、シャッタ動作を行なった際に、完全にフォトダイオードをリセットすることができずに電荷が残ってしまい、その電荷が次の読み出しにオフセットとして生じてしまい正しい画素信号では無くなってしまう現象であり、プレシャッタ動作を行なった場合には、例えば、トランジスタの製造バラツキにより少し駆動能力の低いトランジスタとなってしまった結果、フォトダイオードにリセット残りがある画素であったとしても特性上問題の無いリセットレベルを担保することで歩留りの向上を期待することができる。

なお、上記した本発明を適用した固体撮像装置では、複数行を１つのグループとした場合を例に挙げて説明を行なっているが、複数列を１つのグループとしても良い。

本発明を適用した固体撮像装置の一例を説明するための図である。 本発明を適用した固体撮像装置の他の一例を説明するための図である。 本発明を適用した固体撮像装置の更に他の一例を説明するための図である。 実際の１［Ｈ］蓄積時のブルーミング起因によるオフセット差及びプレシャッタ動作による効果についての実験結果を示すグラフである。 従来のＣＭＯＳイメージセンサを説明するための模式図である。 ある１つの画素についての画素回路の構成の一例を説明するための模式図である。 ローリングシャッタ方式を説明するための図である。 ブルーミング起因によるオフセット差が生じるメカニズムを説明するための図（１）である。 ブルーミング起因によるオフセット差が生じるメカニズムを説明するための図（２）である。

Claims (3)

1. 光電変換素子を含む画素が行列状に配置されてなる画素アレイ部を有し、
   該画素アレイ部の隣接する２以上の所定数の行若しくは隣接する２以上の所定数の列を１つのグループとし、信号電荷の蓄積前に前記グループ単位でシャッタパルスを印加して不要電荷の掃き出しを行なうと共に、前記グループ毎に順次信号電荷の読み出しを行なう固体撮像装置において、
   先のグループの読み出しタイミング前に、次のグループ内の少なくとも先のグループに隣接する１行若しくは１列に属する画素に対して前記シャッタパルスに先立ってプレシャッタパルスを印加して同画素に蓄積された不要電荷の掃き出しを行なう
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 先のグループの読み出しタイミング前に、次のグループ内の全ての画素に対して前記プレシャッタパルスを印加する
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 光電変換素子を含む画素が行列状に配置されてなる画素アレイ部を有し、該画素アレイ部の隣接する２以上の所定数の行若しくは隣接する２以上の所定数の列を１つのグループとし、信号電荷の蓄積前に前記グループ単位でシャッタパルスを印加して不要電荷の掃き出しを行なうと共に、前記グループ毎に順次信号電荷の読み出しを行なう固体撮像装置と、
   被写体からの像光を前記固体撮像装置の撮像面上に結像させる光学系とを備える撮像装置において、
   先のグループの読み出しタイミング前に、次のグループ内の少なくとも先のグループに隣接する１行若しくは１列に属する画素に対して前記シャッタパルスに先立ってプレシャッタパルスを印加して同画素に蓄積された不要電荷の掃き出しを行なう
   ことを特徴とする撮像装置。

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